趙 耀，張慶財(cái)

(1.河南神火煤電有限公司 泉店煤礦，河南 許昌 461000；2.庫(kù)車市永新礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū) 庫(kù)車 842099)

粉塵是危害煤礦安全生產(chǎn)的因素之一。工作面的高濃度粉塵對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和職工身體健康存在嚴(yán)重威脅，同時(shí)會(huì)降低機(jī)械設(shè)備的使用壽命，增加生產(chǎn)成本，嚴(yán)重制約煤礦企業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益提高。2015年2月，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下達(dá)了《煤礦作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)病危害防治規(guī)定》，制訂了煤礦井下作業(yè)場(chǎng)所允許粉塵濃度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)企業(yè)在高效安全生產(chǎn)的同時(shí)，努力實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)，其中，井下粉塵治理工作為綠色礦山構(gòu)建的核心內(nèi)容之一[1-2]。

隨著泉店煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化水平日益提高，高效采煤機(jī)廣泛采用，使得綜采、綜放工作面的粉塵問題日益突出，亟待解決，特別是針對(duì)嚴(yán)重危害人體的呼吸性粉塵的有效治理，直接關(guān)系到井下工人的身體健康和礦井的安全生產(chǎn)。針對(duì)工作面防降塵需求，綜合考慮現(xiàn)有工作面除塵技術(shù)與措施，選取負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行粉塵治理。通過對(duì)該技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最終取得了一系列可靠的技術(shù)參數(shù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為解決類似條件的工作面降塵問題提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

泉店煤礦位于禹州礦區(qū)東部的禹州市和許昌市建安區(qū)之間，井田東西走向長(zhǎng)約7.0 km，南北傾向?qū)?.8～3.0 km，面積約16.6 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，核定生產(chǎn)能力為210萬t/a.礦井主采山西組二1煤層，平均煤厚5.88 m，煤層傾角25～33°，屬于Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，為典型的傾斜三軟煤層。礦井為低瓦斯礦井，采用混合式通風(fēng)方式。

為了解礦井綜采工作面粉塵問題，對(duì)其中二1-14010綜放工作面進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示該工作面空間內(nèi)平均全塵濃度為586.04 mg/m3，平均呼塵濃度為277.64 mg/m3，均已嚴(yán)重超標(biāo)，亟需治理。

1.2 工作面粉塵治理現(xiàn)狀

目前泉店煤礦綜采工作面粉塵問題十分嚴(yán)重，同時(shí)工作面粉塵治理限制因素較多，具體包括以下幾個(gè)方面：①產(chǎn)塵量大，塵源具有移動(dòng)性；②工作面環(huán)境復(fù)雜，液壓支架等干涉較多；③使用環(huán)境惡劣，砸、堵、擁等問題嚴(yán)重影響設(shè)備可靠性；④安裝難度大，工作面可供安裝位置有限，主體設(shè)備等需放置于設(shè)備列車上；⑤由于綜采工作面采高等諸多因素限制，降塵設(shè)備必須具有廣泛的適用性。

受上述條件限制，綜采工作面粉塵治理難度較大，目前主要利用采煤機(jī)自帶內(nèi)噴霧及液壓支架間噴霧共同作用，降低粉塵濃度。但由于采煤機(jī)噴嘴位置靠近滾筒，損壞嚴(yán)重，同時(shí)支架移動(dòng)易造成噴霧系統(tǒng)管路和電纜扯斷，故障率極高，噴霧降塵效果一般。綜上所述，泉店煤礦現(xiàn)需選取一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、降塵效率高、適用范圍廣的工作面降塵技術(shù)，以解決綜采工作面粉塵治理難題。

1.3 工作面降塵技術(shù)方案

針對(duì)泉店煤礦工作面粉塵問題及粉塵治理現(xiàn)狀，對(duì)比國(guó)內(nèi)外相關(guān)采煤機(jī)除塵技術(shù)，綜合考慮同類技術(shù)的系統(tǒng)性能及優(yōu)缺點(diǎn)，選取負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)方案對(duì)綜采工作面進(jìn)行粉塵治理，與傳統(tǒng)塵源降塵技術(shù)比較，該技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)[3]。具體如下：

1) 控制管理系統(tǒng)。負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)采用控制器一體化設(shè)計(jì)，集無線收發(fā)系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)及兩組獨(dú)立工作的電動(dòng)球閥于一體，而傳統(tǒng)塵源降塵技術(shù)的控制器、傳感器、電動(dòng)球閥及其他設(shè)備需單獨(dú)固定、接線及安裝。

2) 通訊系統(tǒng)。負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)采用無線通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有主機(jī)之間無線通訊，而傳統(tǒng)塵源降塵技術(shù)采用通信電纜實(shí)現(xiàn)相互通訊功能，需安裝、鋪設(shè)電纜。

3) 水耗。負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)使用靜壓水即可滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，同時(shí)引用壓風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)管路，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓誘導(dǎo)除塵，增強(qiáng)噴霧水的霧化效果和霧化水的流速，極大地提高霧化降塵效果，降低了耗水量，而傳統(tǒng)塵源降塵技術(shù)需設(shè)置高壓噴霧泵站提供高壓水源，且耗水量大。

4) 經(jīng)濟(jì)條件。負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，大大降低了使用成本，維護(hù)工作量較少，而傳統(tǒng)塵源降塵技術(shù)安裝及維護(hù)較復(fù)雜，使用成本較高。

2 負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)

負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)由負(fù)壓誘導(dǎo)式噴霧系統(tǒng)、礦用塵源跟蹤系統(tǒng)、降(移)架噴霧系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)共同構(gòu)成，各系統(tǒng)相互配合、共同作用，達(dá)到最佳降塵效果。

2.1 負(fù)壓誘導(dǎo)式噴霧系統(tǒng)及其降塵機(jī)理

負(fù)壓誘導(dǎo)式水氣兩相噴霧噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。負(fù)壓誘導(dǎo)式水氣兩相噴霧的主要理論依據(jù)是流體力學(xué)中的文丘里效應(yīng)，當(dāng)噴嘴由管內(nèi)向管外進(jìn)行噴霧時(shí)，若水霧的擴(kuò)散直徑等于或大于管徑時(shí)，便會(huì)形成水霧活塞，將前方的空氣推出，并在后方形成真空，從而噴口位置會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，使含塵氣流被吸入噴射裝置的噴管內(nèi)。在管腔內(nèi)，粉塵受水霧的反復(fù)撞擊，被迫與霧滴結(jié)合，當(dāng)噴出管腔后，失去懸浮能力，很快沉降下來，同時(shí)，被去除粉塵的空氣與霧滴組的氣流繼續(xù)噴出，在噴出端形成負(fù)壓場(chǎng)，持續(xù)不斷達(dá)到降塵效果。當(dāng)含霧滴氣流噴出時(shí)，形成速度不連續(xù)的間斷面，失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，渦旋卷吸周圍含塵氣體進(jìn)入射流，且其影響逐漸向內(nèi)、外兩側(cè)發(fā)展，形成內(nèi)外兩個(gè)自由紊動(dòng)的混合層，在卷吸與混合共同作用下，射流斷面及降塵范圍逐漸擴(kuò)大[4-5]。

圖1 噴霧噴嘴結(jié)構(gòu)示意

通過論證及試驗(yàn)，噴霧系統(tǒng)應(yīng)采用由5個(gè)及5個(gè)以上噴霧集合構(gòu)成，根據(jù)工作面采高設(shè)置不同的角度，以保證1號(hào)噴頭作用于煤壁，用于濕潤(rùn)煤壁，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)噴頭作用于采煤機(jī)滾筒，消除截齒割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵，5號(hào)噴頭作用于刮板機(jī)，消除運(yùn)輸溜運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的粉塵，實(shí)現(xiàn)全斷面降塵。實(shí)踐過程中，噴霧系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴霧系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 礦用塵源跟蹤系統(tǒng)及其工作原理

礦用塵源跟蹤系統(tǒng)主要由一體化主機(jī)、采煤機(jī)定位無線發(fā)射器、負(fù)壓誘導(dǎo)噴霧、電源電纜等設(shè)備組成[6-7]，各部分安裝位置及管路布置如圖2、圖3所示。實(shí)際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)在整個(gè)工作面安裝多道噴霧，從進(jìn)風(fēng)口處開始安裝，每3架安裝1組，采煤機(jī)定位無線發(fā)射器安裝在采煤機(jī)中部靠人行道一側(cè)，噴霧系統(tǒng)安裝在支架前梁適當(dāng)位置處，朝向煤壁或滾筒割煤位置。

圖2 噴霧系統(tǒng)安裝示意

圖3 管路布置示意

礦用塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)工作原理如下：當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至某一位置時(shí)，該位置對(duì)應(yīng)的主機(jī)接收到信號(hào)并計(jì)算出采煤機(jī)前、后兩個(gè)滾筒所在位置，主機(jī)將滾筒所在位置信息以無線通訊方式發(fā)送給相鄰主機(jī)，前、后滾筒所在位置及其下風(fēng)流對(duì)應(yīng)的主機(jī)按統(tǒng)一設(shè)定的程序和參數(shù)，使安裝在支架頂梁或前探梁處噴霧單元按預(yù)設(shè)時(shí)間噴霧降塵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)前、后滾筒周圍及采煤機(jī)下風(fēng)流的定點(diǎn)跟蹤噴霧，減小粉塵產(chǎn)生量并消除采煤機(jī)下風(fēng)流粉塵污染；當(dāng)采煤機(jī)移動(dòng)到下一位置時(shí)，并被下一位置的主機(jī)檢測(cè)到，則執(zhí)行新位置噴霧的功能，原位置點(diǎn)噴霧功能隨即終止，時(shí)間可自動(dòng)調(diào)控[8-10]。

2.3 降(移)架自動(dòng)噴霧系統(tǒng)

液壓支架在降(移)架時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，如何使液壓支架在降(移)架時(shí)自動(dòng)對(duì)其產(chǎn)塵點(diǎn)進(jìn)行噴霧降塵成為解決液壓支架粉塵污染的技術(shù)關(guān)鍵?；谪?fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)，本礦將無線降(移)架傳感器與支架液壓管路相聯(lián)通，壓力監(jiān)測(cè)與發(fā)射器采用一體化設(shè)計(jì)，與液控閥管路采用快速接口連接。在支架操作時(shí)，無線降(移)架傳感器檢測(cè)到乳化液壓力的變化，發(fā)出無線控制信號(hào)，主機(jī)接收到信號(hào)智能識(shí)別后打開噴霧，系統(tǒng)的噴霧架安裝在前探梁上，用螺栓固定在液壓支架上。為了實(shí)現(xiàn)降(移)架自動(dòng)噴霧降塵，將無線降(移)架傳感器和與支架控制閥上降(移)架管路相連，并連接好各管路系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)降(移)架時(shí)的自動(dòng)噴霧降塵。通過噴霧完全覆蓋支架及支架下風(fēng)流，達(dá)到噴霧降塵的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)噴霧與支架降柱移架的聯(lián)動(dòng)[11-13]。

2.4 控制系統(tǒng)

負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵控制系統(tǒng)主要由主控制芯片、無線通訊、傳感器信號(hào)輸入、球閥驅(qū)動(dòng)及電源等組成。由傳感器采集信號(hào)，信號(hào)送入主控芯片進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算及處理，通過數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)球閥打開或者關(guān)閉，實(shí)時(shí)顯示主機(jī)狀態(tài)并通過無線通訊與其他主機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)設(shè)備及管線在液壓支架上的安裝如圖4所示，水路及氣路通過高壓膠管連接到主機(jī)內(nèi)置的兩個(gè)電動(dòng)球閥上，球閥出水、出氣端再通過膠管連接至負(fù)壓誘導(dǎo)噴霧上，通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)[14]。

圖4 主機(jī)管路連接示意

該礦主控制芯片選取MSP430系列單片機(jī)，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快及超低功耗等優(yōu)點(diǎn)；無線通訊選用基于SEMTECH 公司SX1278 射頻芯片的無線串口模塊，采用透明傳輸方式及LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)；球閥選用高平臺(tái)三片式不銹鋼高壓球閥，保障一體化主機(jī)在正常工作期間能夠可靠的打開或關(guān)閉水路及氣路；球閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速箱選用進(jìn)口無刷電機(jī)，配備高扭矩減速箱，具有低功耗、高扭矩的特點(diǎn)。一體化主機(jī)及高壓球閥實(shí)物如圖5、圖6所示。

圖5 一體化主機(jī)(內(nèi)置兩組球閥)

圖6 球型截止閥

2.5 系統(tǒng)主要設(shè)備選型及技術(shù)性能指標(biāo)

泉店煤礦負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)部分主要設(shè)備選型見表2，主要技術(shù)性能指標(biāo)見表3.

表2 系統(tǒng)部分設(shè)備選型

表3 系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)

3 工作面噴霧系統(tǒng)無線通訊影響因素研究

無線通訊作為負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)中各個(gè)系統(tǒng)的連接紐帶，是工作面噴霧系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的必要條件。實(shí)際工程中，綜采工作面內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、液壓支架及大功率設(shè)備繁多，電磁波在綜采工作面的傳輸受到多種因素的影響，導(dǎo)致噴霧系統(tǒng)誤動(dòng)作或不動(dòng)作情況經(jīng)常發(fā)生。為提高負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)的適用性能，建立可靠高效的無線通訊系統(tǒng)，亟需對(duì)影響工作面噴霧系統(tǒng)無線通訊的因素進(jìn)行深入研究。

3.1 噴霧系統(tǒng)無線通訊傳輸距離影響因素

本礦通過對(duì)二1-14010綜放工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、理論分析研究，探討工作面截面、傾斜程度及粉塵水汽等因素對(duì)無線通訊傳輸距離的影響，得出工作面截面越大，傾斜程度越小，粉塵濃度越小，水汽越少，電磁波傳輸衰減也越小。綜合考慮上述影響無線通訊傳輸距離的因素，只有合理布置無線節(jié)點(diǎn)，盡量減少無線的衰耗及影響，才能提高傳輸距離，保證系統(tǒng)無線通訊的可靠運(yùn)行。

3.2 噴霧系統(tǒng)無線通訊收發(fā)頻率與可靠性

從收發(fā)頻率與可靠性分析，頻率越高，斜率越高，傳輸損耗越大，可靠性越差，故為提高無線傳輸?shù)目煽啃?，在工作面中無線通訊收發(fā)頻率不應(yīng)過高，以免降低其可靠性，不利于信號(hào)在井下的傳輸。

3.3 噴霧系統(tǒng)無線通訊糾錯(cuò)能力與抗干擾性

通過對(duì)電磁干擾分類、特點(diǎn)、來源的了解，綜合考慮工作面電磁干擾的特性，并對(duì)相應(yīng)的抗干擾與糾錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行研究，得出適用于綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)無線通訊的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)方案，在無線糾錯(cuò)能力與抗干擾性具有顯著的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)無線技術(shù)相比，采用同樣的發(fā)射功率時(shí)，LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的傳輸距離可提高7～10倍，覆蓋面積擴(kuò)大50～100倍。因此LoRa擴(kuò)頻技術(shù)更適用于綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)無線通訊。

4 工程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

在系統(tǒng)安裝運(yùn)行后，為監(jiān)測(cè)負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)的實(shí)際降塵效果，分別于2021年7月14日、18日、22日、26日、30日，對(duì)泉店煤礦二1-14010綜放工作面，在除塵系統(tǒng)開啟與停止兩種狀態(tài)下，5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置(分別為司機(jī)操作地點(diǎn)、機(jī)組下風(fēng)測(cè)5 m、機(jī)組下風(fēng)側(cè)10 m、回風(fēng)端頭下風(fēng)側(cè)10 m、回風(fēng)端頭下風(fēng)側(cè)20 m)的全塵與呼塵濃度進(jìn)行大量監(jiān)測(cè)比對(duì)，其結(jié)果如圖7所示。

由降塵系統(tǒng)應(yīng)用前后全塵和呼塵濃度變化圖可知，負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)安裝運(yùn)行后，全塵濃度和呼塵濃度兩個(gè)指標(biāo)顯著下降，平均全塵濃度從586.04 mg/m3降至87.16 mg/m3，平均呼塵濃度從277.64 mg/m3降至34.28 mg/m3，全塵和呼塵濃度平均降低了85.13%和87.65%.總而言之，泉店煤礦二1-14010綜放工作面空間內(nèi)粉塵濃度顯著降低，工作面粉塵逸散得到有效控制，員工的工作環(huán)境條件得到極大改善，生產(chǎn)效率大幅提高。

5 結(jié) 語

1) 負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)由負(fù)壓誘導(dǎo)式噴霧系統(tǒng)、礦用塵源跟蹤系統(tǒng)、降(移)架噴霧系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)共同構(gòu)成，各系統(tǒng)相互配合、共同作用，達(dá)到最佳降塵效果。

2) 良好的無線通訊是工作面噴霧降塵系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。工程實(shí)踐中可通過調(diào)控相關(guān)影響因素，合理設(shè)置通信收發(fā)頻率，延長(zhǎng)通信傳輸距離，增強(qiáng)無線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3) 本負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵技術(shù)方案中使用的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)與傳統(tǒng)無線技術(shù)相比，傳輸距離更遠(yuǎn)，覆蓋面積更廣，更適用于綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)無線通訊。

4) 泉店煤礦二1-14010綜放工作面成功安裝運(yùn)行負(fù)壓誘導(dǎo)式礦用塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)，并通過長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)對(duì)比，表明降塵系統(tǒng)應(yīng)用后，工作面空間粉塵濃度顯著降低，平均全塵濃度從586.04 mg/m3降至87.16 mg/m3，平均呼塵濃度從277.64 mg/m3降至34.28 mg/m3，全塵和呼塵濃度平均降低了85.13%和87.65%.